（材料加工工程专业论文）薄壁锥形件一次拉深成形极限条件研究.pdf

摘要 摘要 板金成形在汽车、机车车辆、飞机、仪表等制造业中，有着广泛的应用。板余 成形中，塑性拉伸失稳和压缩失稳是两种常见的破坏方式，探索两种破坏方式的规 律是制定板金成形工艺、设计模具的基础。薄壁锥形件拉深成形中，既有拉伸失稳 破坏，又有压缩失稳破坏，掌握薄壁锥形件拉深的工艺准则和破坏机理，对研究其 它复杂零件的拉深成形以及大型覆盖件的拉深成形都有许多可借鉴之处。因此国内 外学者都十分重视对薄壁锥形件拉深成形规律的研究。本文从以下几个方面对薄壁 锥形件拉深进一步研究： ( 1 ) 利用解析方法，分析计算了锥形件拉深过程，锥壁上各点的靠模位移和应变， 计算表明变形初位于凹模口处的材料具有最大悬空位移。将凹模口处的毛坯环称为 关键环。根据关键环受外压的变形情况，建立了临界相对厚度的概念和其计算公式。 以临界相对厚度将锥形件拉深分为厚壁锥形零件和薄壁锥形零件的拉深。由于薄壁 锥形件与厚壁锥形件在拉深工艺、模具结构上都有很大差异。论文对薄壁锥形件拉 深成形进行了深入分析。 ( 2 ) 薄壁锥形件拉深中法兰变形区、锥壁变形区是主要变形区。论文在考虑板材 加工硬化的条件下，利用力法建立了薄壁锥形件拉深法兰和锥壁变形所需载荷的计 算解析式。这些工作提供了法兰变形所需的力学条件。 ( 3 1 小端破裂是薄壁锥形件拉深成形最常见的失败方式。失败的主要原因之一是 对小端材料的准确极限承载能力把握不够。为此，在考虑板材各向异性条件下，借 助s w i f t 分散性失稳理论，建立了小端圆角处极限承载能力的解析计算公式，该解 析式也可以作为大型覆盖件的拉深成形的参考依据。 ( 4 ) 在对薄壁锥形件拉深过程中靠模分析的基础上，利用薄板在板平面内难以承 受压应力，锥壁纬向收缩靠经向拉伸的变形特点，根据其小端危险面所能提供的最 大经向拉应力，求得了薄壁圆锥形件拉深纬向无压缩失稳的最大相对拉深高度。 f 5 1 论文在上述理论解析分析的基础上，又采用数值分析方法和试验研究方法， 进一步研究了薄壁锥形件的拉深成形。数值分析结果、试验研究结果基本与理论解 析分析结果相一致。 关键词锥形件；拉深；冲压工艺；塑性成形；板金 燕山大学j 二学博士论文 a b s t r a c t s h e e tm e t a lf o r m i n gi sw i d e l yu s e di nt h em a n u f a c t u r i n go fa u t o m o b i l e ，l o c o m o t i v e ， a i r p l a n ea n dm e t e r s p l a s t i ct e n s i o ni n s t a b i l i t ya n dc o m p r e s s i o ni n s t a b i l i t ya r et w ok i n d s o fo r d i n a r yd a m a g e t os t u d yt h ep a t t e r no ft h e s et w ok i n d so fd a m a g ei st h eb a s i so f s h e e tm e t a lp r o c e s s i n ga n dd i ed e s i g n i n g ，d u r i n gt h es t r e t c hf o r m i n go fc o n ep a r t s ，t h e r e a r en o to n l yd a m a g e sf r o mt e n s i o ni n s t a b i l i t y , b u ta l s od a m a g ef r o mc o m p r e s s i o n i n s t a b i l i t y t ou n d e r s t a n dt h em a n u f a c t u r i n gr u l ea n dd a m a g ep r i n c i p l eo fs t r e t c hf o r m i n g o fc o n ep a r t sc a np r o v i d er e f e r e n c e sf o rt h es t u d yo ft h es t r e t c hf o r m i n go fc o m p l i c a t e d p a r t sa n dl a r g ec o v e r i n g s t h e r e f o r e ，b o t hi n t e m a la n df o r e i g ns c h o l a r sh a v ep a i dm o r e a t t e n t i o n st ot h es t u d yo ft h es t r e t c hf o r m i n gr u l e so fc o n ep a r t s t h i sp a p e rp r e s e n t s f u r t h e rs t u d i e so fs t r e t c hf o r m i n go f c o n ep a r t sa tt h ef o l l o w i n gp o i n t s ： 1 b yt h eu s eo fa n a l y t i c a lm e t h o d ，t h es t r e t c hf o r m i n gp r o c e s so fc o n ep a r t sa n dt h e m o d e l i n gd i s p l a c e m e n ta n ds t r a i no fp o i n t so nt h ec o n ew a l la r ea n a l y z e da n dc a l c u l a t e d ， t h u st h em a x i m u ms u s p e n d e dd i s p l a c e m e n tp o i n tc a nb eo b t a i n e d t h er i n go f s e m i f i n i s h e dp r o d u c th a v i n gt h em a x i m u ms u s p e n d e dd i s p l a c e m e n ti sc a l l e dk e yr i n g b yt h ed e f o r m a t i o na n a l y s i so ft h ek e yr i n g ，t h ec o n c e p to fc r i t i c a lr e l a t i v et h i c k n e s sa n d i t sc a l c u l a t i o nf o r m u l aa r ed e d v e d a c c o r d i n gt ot h ec r i t i c a lr e l a t i v et h i c k n e s s ，t h es t r e t c h f o r m i n gc a nb ed i v i d e di n t ot h es t r e t c h i n go ft h l c kw a l lc o n ep a r t sa n d t h es t r e t c h i n go f t h i nw a l lc o n ep a r t s b e c a u s et h et h i nw a l lc o n ep a r t si sg r e a t l yd i f f e r e n tf r o mt h et h i c k w a l lc o n ep a r t si nt h es t r e t c hm a n u f a c t u r i n ga n dt h ed i es t r u c t u r e ，t h i sp a p e ro n l yp r e s e n t s f u r t h e ra n a l y s i so ft h es t r e t c hf o r m i n go ft h et h i nw a l lc o n ep a r t s 2 d u r i n gt h es t r e t c h i n go ft h i nw a l lc o n ep a n s ，f l a n g ed e f o r m a t i o na r e aa n dc o n ew a l l d e f o r m a t i o na r e aa r e t h em a i nd e f o r m a t i o na r e a s c o n s i d e r i n gt h ec o n d i t i o no ft h e m a t e r i a ls t i f f e n i n gd u r i n gf o r m i n g ，a n db yt h eu s eo f t h ef o r c em e t h o d ，t h i sp a p e rb u i l tu p a na n a l y s i sf o r m u l at oc a l c u l a t et h el o a d sr e q u i r e df o rt h ed e f o r m a t i o n so ff l a n g ea n d c o n ew a l lo ft h et h i nw a l lc o n ep a r t s t h e s es t u d i e sd e r i v e dm e c h a n i c a lc o n d i t i o n r e q u i r e df o rf l a n g ed e f o r m a t i o n 3 ，c r a c ko nt h es m a l le n di st h eo r d i n a r yf a i l u r ep a t t e r no fs t r e t c hf o r m i n go ft h et h i n w a l lc o n ep a r t s t h em a i nr e a s o no ff a i l u r ei si m p r o p e rc o n t r o lo ft h ec o r r e c tc r i t i c a ll o a d c a p a c i t yf o rt h em a t e r i a l i nc o n s i d e r a t i o no ft h e c o n d i t i o no fm a t e r i a la n i s o t r o p y ， i i a b s t r a c t a n a l y t i c a lc a l c u l a t i o nf o r m u l ao fc r i t i c a ll o a dc a p a c i t yo nt h ec i r c u l a rc o m e ro ft h es m a l l e n di sb u i l tu pb yt h ew r i n k l i n gt h e o r yo fs w i f td i s p e r s i v i t y t h i sa n a l y t i c a lf o r m u l ac a n b ea l s ot h er e f e r e n c eb a s i so f s t r e t c hf o r m i n go f t h el a r g ec o v e r i n g s 4 o nt h eb a s i so f m o d e l i n ga n a l y s i si nt h es t r e t c h i n gp r o c e s so f t h et h i nw a l lc o n ep a a s ， t h ec h a r a c t e r i s t i c so fb e i n gd i f f i c u l tt ow i t h s t a n di n - p l a n ec o m p r e s s i o ns t r e s sf o rt h i n s h e e ta sw e l la st h ed e p e n d e n c eo ft h el a t i m d i n a lc o n t r a c t i o nu p o nt h el o n g i t u d i n a l t e n s i o n ，a c c o r d i n g t ot h em a x i m u mt e n s i o ns t r e s s p r o v i d e db y t h e d a n g e r o u s c r o s s s e c t i o no ft h es m a l le n do ft h et h i nw a l lc o n ep a r t ，t h em a x i m u mr e l a t i v es t r e t c h i n g h e i g h tw i t h o u tl a t i t u d i n a li n s t a b i l i t yf o rt h es t r e t c h i n go ft h et h i nw a l lc o n ep a r t sw a s d e r i v e d 5 b a s e do nt h ea b o v et h e o r e t i c a l l ya n a l y t i c a la n a l y s i s ，t h i sp a p e rp r e s e n t sf u r t h e r s t u d i e so ft h es t r e t c hf o r m i n go ft h i nw a l lc o n ep a r t sb yt h eu s eo fn u m e r i c a la n a l y s i s m e t h o da n dt h ee x p e r i m e n t a ls t u d ym e t h o d t h er e s u l to ft h en u m e r i c a la n a l y s i sa n dt h e e x p e r i m e n t a ls t u d yi sc o i n c i d e n tw i t ht h er e s u l to f t h e o r e t i c a l l ya n a l y t i c a la n a l y s i s k e yw o r d sc o n ep a r t s ；d e e pd r a w i n g ；s t a m p i n gt e c h n o l o g y ；p l a s t i cf o r m i n g ； s h e e t m e t a l i i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1引言 随着车辆制造业的发展，尤其是汽车制造业的迅速崛起，大型覆盖件的拉深成 形工艺已经成为影响相关制造业发展的关键因素之一，其开发研究工作受到了工业 界的高度重视，锥形件拉深成形研究作为大型覆盖件的拉深成形研究的基础成为学 术界广泛关注的热点之一。 】2 拉深成形方法的研究与发展 拉深是利用模具使冲裁后得到的平面毛坯变成为开口的空心零件的冲压工艺方 法【卜。】。自英国学者a 1 e x a n d e r p a r k s 在1 8 5 7 年开发并取得铜板拉深工艺专利以来， 该工艺方法不断取得广泛发展和应用【列1 。利用拉深成形工艺可以制成筒形、阶梯形、 盒形、锥形、球形及其它不规则形状等多种类的薄壁开口零件。该工艺方法，在汽 车、飞机、仪表、电子等工业部门的冲压生产中，处于相当重要的地位【5 。由于各 种拉深件几何形状的差异，在模具作用下，随着成形过程的进行，毛坯部分的受力 情况和变形特点以及易出现缺陷的部位和形式等方面存在着相当大甚至是本质上的 区别，所以各种拉深件的工艺参数、工序数目与顺序的确定及模具设计原则和方法 等都不一样。 从上世纪中期开始，各国学者及工程技术人员，围绕基本形状典型拉深件，对 毛坯的受力情况和变形特点、成形缺陷产生的力学原因以及成形过程中的工艺问题 等进行了大量的研究。在成形过程的数值模拟、成形缺陷的预报、成形极限和 成形性能、板料性能与成形工艺之间关系等方面取得了许多进展。目前，圆筒形件 拉深的理论已基本完善，可以满足冲压生产技术的需要。盒形件的研究工作也取得 了突破性进展【屹q 鄂。在球形件和锥形件的成形特点、成形机理和成形极限等方面的 研究工作也越来越深入。上述研究工作丰富和发展了冲压成形基础理论，为研究汽 车车身覆盖件等复杂形状零件的拉深成形奠定了基础。 圆锥形件拉深成形在很多方面与圆筒形件拉深相似，如t 法兰的受力情况和变 形特点、成形件的破裂问题等。但是在圆锥形件成形过程中，法兰和悬空侧壁均产 燕山大学工学博士学位论文 生变形，成形时出现的问题及解决问题的方法也不尽相同。至今，由于对圆锥形件 拉深成形的研究基础比较薄弱，未能从本质上对其成形特点与成形规律进行深入分 析，所以在成形工艺参数的确定和模具设计时，存在相当大的困难1 o l 。近期人们 用有限元法或其它研究方法，对成形机理、锥壁上应变和应力分布、变压边力及其 控制、起皱过程的模拟和成形极限等方面做了一些研究工作，但是在冲压技术工作 中，科学而正确地确定圆锥形件的成形极限，仍是一个亟待解决的问题 2 卜2 3 1 。 成形极限一直是板料冲压成形研究中的一个重要方面，也是冲压成形工艺和模 具设计的主要依据，许多学者对此进行了大量的理论分析和实验研究工作【2 扯28 1 。由 于对圆筒形件拉深机理有较深入的认识，其拉深成形极限的研究成果可以用于估算 实际生产中的极限拉深系数。而对于圆锥形件拉深成形，由于对其拉深成形规律的 认识不深刻，其成形极限的研究处于探索阶段，目前还不存在根据圆锥形件的成形 规律来计算成形极限的方法。为满足实际生产和冲压理论研究的需要，圆锥形件拉 深成形极限的研究受到了许多学者的关注。 板料冲压成形的研究方法大致可分为三种：实验方法、理论解析法和数值模拟 法。实验方法( 视塑性法、网格法、密栅云纹法和工艺模拟实验等) 是最基本的研究 方法。系统的实验研究可以发现成形规律，可以直接对生产过程进行模拟以提供用 于实际生产中工艺和模具设计的实验数据，可以检验理论分析的结果【2 9 。0 1 。通过建 立适当简化的力学模型，理论解析法( 主应力法、滑移线法、能量法和上限法等) 可 以得出某些简单成形工艺问题的解析鳃，能够揭示成形过程中某些现象的本质或对 复杂成形问题作出一些定性地判定【3 h2 1 。由于板料三维成形问题的几何非线性、材 料非线性和边界接触条件非线性，理论解析法所能求解的成形问题十分有限。数值 模拟法包括上限元法( u s e t ) 、矩阵算予法、有限差分法( f d m ) 、加权余数法( w r m ) 、 有限元法，其中有限元法在研究板料冲压成形过程中毛坯的受力情况和变形特点， 确定工艺参数的影响规律，模拟毛坯的整个成形过程以及在成形过程中发生的破裂、 起皱和成形后的回弹等方面取得了一系列的研究成果【3 3 35 1 。有限元法已经逐步取代 了其它数值模拟法而成为分析板料冲压成形问题的最有力工具，现在已经有各种商 用软件出版。在对板料冲压成形过程进行研究时，如果灵活地使用上述的各种方法， 将各具优点的研究方法加以复合，可以有效地对板料冲压成形过程中的力学问题进 行细致的分析【3 6 0 ”。 因此，使用实验研究、理论解析和有限元分析相结合的研究方法，研究圆锥形 2 第1 章绪论 件拉深成形特点与规律：从本质上揭示其成形机理；分析其成形过程中毛坯的受力 情况和变形特点；分析其悬空侧壁上产生的破裂和起皱问题；确定其成形极限参数， 可以作为进一步深入研究汽车覆盖件等复杂形状零件拉深成形的基础性工作，也有 助于冲压成形理论的发展及圆锥形件拉深成形技术工作水平的提高 3 8 4 0 。 1 3 圆锥形件的塑性成形方法 1 3 1 圆锥形件的成形特点与几何形状 图1 1 所示的圆锥形件属于轴对称的简单曲面零件，在其成形过程中毛坯的变 形特点与非轴对称形状的零件和直壁的圆筒形件成形时毛坯的变形特点明显不同。 对比非轴对称形状的零件，圆锥形件毛坯的变形是轴对称的，变形与应力沿毛坯的 圆周方向均匀分布。而非轴对称形状零件毛坯的变形里非轴对称且沿毛坯的周边不 均匀分布，同时在毛坯的外周部分伴随有剪切变形。对比真壁的圆筒形件和圆锥形 件成形时，不但毛坯外周部分的法兰是变形区，毛坯中部也参与变形，而且处于悬 空状态，不与凸模侧壁接触，不存在凸模对毛坯侧壁的约束作用。 圆锥形件的主要形状参数是相对高度h d 2 、相对锥顶直径d l d 2 、半锥角、毛 坯相对厚度t o d o 1 0 0 。由于这些形状、尺寸和生产规模( 批量) 的不同，可以采用拉 深成形、旋压成形、液压成形等方法加工圆锥形件。目前，采用刚性凸、凹模拉深 成形是圆锥形件实际生产中的主要方法弘4 3 1 。 图1 ，1圆锥形件的几何形状 f i g 1 1 g e o m e t r i cd i m e n s i o n so f c o m c a lp a r t i 3 2 圆锥形件的拉深成形方法 目前在冲压生产中常用的冲压成形方法，是生产技术人员在长期工作中按经验 总结出的方法。 3 燕山大学工学博士学位论文 1 3 ，2 1 一次拉深成形若圆锥形件的几何尺寸满足h d 2 = o 1 - 0 2 5 、= 5 0 。8 0 。， 称为浅锥形件a 此类件拉深成形时，毛坯的变形量小，回弹现象严重。为保证零件 的形状和尺寸精度，必须提高侧壁的胀形成分。因此，当零件厚度大时，可以用图 1 2 ( a ) 所示方法直接成形，对于无法兰零件，拉深成形后再经切边修正，但成形零件 的精度较差：当零件的精度要求高时，尤其是薄板，可以利用带筋坎( 或反向锥度1 的凹模成形( 图1 2 ( b ) ) ，并且可以通过增大压边力或加大毛坯尺寸，提高侧壁的胀形 成分。 ( 1 ) 当t o ，t d o 1 0 0 2 5 时，用不带压边装置的模具一次拉深成形，但需在工作行程 终了时对工件施加精压整形： ( 2 ) 当t o d o x l 0 0 = 1 5 之时，用带压边装置的模具一次拉深成形，对于无法兰的零 件，可在拉深成形后再切边。 ( a ) 毛坯较厚( b ) 毛坯较薄 图1 2 浅锥形件成形 f i g 1 2 t h es t a m p i n go f s h a l l o wc o n i c a lp a r t 1 3 2 2 两次或多次拉深成形方法 若圆锥形件的几何尺寸满足 杰= o 3 0 7 、 户1 5 。 4 5 。，称为中锥形件。该类件拉深时，易出现的缺陷是侧壁上的起皱。当 t o d o x l 0 0 o _ 8 、庐1 0 。3 0 。，称深锥形件，当拉深成形深 锥形件时，毛坯的变形量较大，仅靠毛坯与凸模接触的局部面积传递成形力，极易 4 第1 章绪论 引起毛坯局部过渡变薄乃至破裂。因此，深锥形件需要经过多道工序，由中间形状 逐渐过渡，最终戍形为圆锥形件。在生产中应用的各种深锥形件成形方法之间的著 别主要是中间过渡形状的不同。中间过渡形状有阶梯圆筒形( 阶梯过渡法) 、曲面形( 曲 面过渡法) 和圆筒形( 圆筒形过渡法) 。 宦睦 ( a ) 近似形状过渡法( b ) 圆筒形状过渡法 图1 - 3 过渡形状成形圆锥形状【4 6 】 f i g 1 - 3 t h es t a m p i n gf r o mt r a n s i t i o n a ls h a p et oc o n i c a lp a r t 在阶梯过渡法中过渡形状的外形与圆锥形件的内形相切，最后将过渡形状胀形 成圆锥形。此法成形的零件壁厚不均，表面有明显的压痕，当表面质量要求高时， 需增加抛光工序。但是该方法的工艺简单，容易实现。在曲面过渡法中，过渡形状 的表面积等于或略大于圆锥形件的表面积，过渡形状开口处的直径等于或略大于圆 锥形件的大端直径。此法成形的零件壁厚均匀，表面光滑无痕。该方法适用于成形 尖顶的圆锥形件。在圆筒过渡法中过渡形状的表面积等于或略大于圆锥形件的表面 积，直径等于或略大于圆锥形件的大端直径。此法成形的零件壁厚均匀程度、表面 光滑性能，都高于阶梯过渡法，但低于曲面过渡法。对于圆筒过渡法，可以从圆筒 口部开始逐渐成形，也可以从圆筒底部开始逐渐成形。图1 - 4 是典型的用中间过渡 形状成形深锥形件的工序。 已哥，。虚牵 图1 4 典型的深锥形件的成形j _ = 序【4 7 】 f i g1 - 4 t h et y p i c a ls t e ps t a m p i n gd e e pc o n i c a lp a r t 基一 密 可弘 磐蜜 燕山大学工学博士学位论文 另外，对于形状和尺寸精度要求不高的圆锥形件，如果不带压边装置的模具拉 深成形极限允许，也可以用不带压边装置的模具拉深成形。 1 3 - 3 圆锥形件的特殊拉深成形方法 特殊拉深成形方法包括橡胶成形、液压成形等，另外还有将液体装在橡皮囊内 的皮囊成形 4 8 - 4 9 1 。 1 3 3 1 橡胶模拉深成形利用天然橡胶或聚氨酯橡胶代替凸模或凹模成形金属板 料、管料的冲压方法称为橡胶成形，橡胶成形属于软模成形。图1 - 5 是橡胶模代替 凹模成形圆锥形件的示意图。 橡胶成形方法加工圆锥形件具有以下特点： ( 1 ) 橡胶模成形时工件表面不会划伤，可以保持毛坯原始表面质量。 ( 2 ) 橡胶模成形时可以省去一个凸模或凹模，降低了模具制造精度要求，因此模 具制造时间短、成本低。 ( 3 ) 橡胶模成形生产率较低，适合于批量不大的冲压件生产。 由于受橡胶的压缩量和所能承受压力的限制，此法比较适合于中、小尺寸圆锥 形件的成形。在不锈钢、铝合金、铜合金等材料的成形中都有应用。 卜一工件2 - - j 如阪3 一凸模4 橡胶 圈1 - 5 橡胶模成形圆锥形件 f i g 1 - 5 c o n i c a lp a r tf o r m i n g b yr u b b e rp a d 1 3 3 2 液压拉深成形方法液压成形是使用一个金属凸模或凹模，利用液体压力 将板料或管坯压入模具来成形零件。液压成形与橡胶模成形相比较，具有容易获得 较高压力，而且压力作用均匀，容易控制，可以成形形状更复杂零件的优点。对于 圆锥形件的液压成形，通常采用对向液压成形法( 图1 - 6 ) 。 对向液压成形法成形圆锥形件与常规成形方法相比较有以下特点： 6 第1 章绪论 ( 1 ) 液体压力将变形毛坯紧紧地压在凸模上，凸模与变形毛坯之间的摩擦使凸模 圆角部位毛坯所受的应力减小，同时在法兰部位形成的液体润滑使法兰变形的摩擦 阻力近似为零，这两方面的因素使成形破裂极限大幅度提高。 ( 2 ) 在凹模口处变形毛坯向上鼓起并被压在凸模上，增加了侧壁上的经向拉应 力，同时液体压力将侧壁紧紧地压在凸模上，这两方面的因素抑制了侧壁上的起皱， 使圆锥形件的一次成形高度增加。 ( 3 ) 凹模形状简单，降低了模具制造费用。 根据对向液压成形法成形圆锥形件的特点，用此法成形圆锥形件使成形极限大 幅度提高，从而可以减少成形工序，而且成形件精度高、模具简单。因此，这种方 法是很有前途的圆锥形件成形方法，但是目前在实际生产中还没有获得广泛的应用。 图1 - 6 圆锥形件的对向液压成形 f i g 1 - 6 c o n i c a lp a r tf o r m i n gb yh y d r a u l i cf o r m i n g 1 3 4 圆锥形件的旋压成形方法 1 3 4 1普通旋压成形圆锥形件普通旋压是成形薄壁空心回转体零件的工艺过 程。该工艺借助旋轮对随旋压模转动的金属圆板或预成形毛坯作进给运动并施压， 使其直径尺寸产生显著变化而成形为所需的零件。普通旋压可以完成拉深旋压、局 部成形等许多工序，其中拉深旋压工序可以成形圆锥形件( 图1 - 7 ) 5 0 - 5 3 。普通旋压具 有以下优点： ( 1 ) 模具研制周期短、费用低。 ( 2 ) 旋压力小。 ( 3 ) 可在一次装夹中完成成形、切边等工序。 f 4 、在中小批量生产时，采用普通旋压成形的经济效益一般优于拉深成形。 7 燕山大学工学博士学位论文 1 3 4 2 变薄旋压成形圆锥形件变薄旋压的运动方式与普通旋压相同，不同的是 毛坯厚度在成形中显著减薄丽直径尺寸则基本不变。按变形性质和工件形状，变薄 旋压分为锥形变薄旋压和筒形变薄旋压；按旋轮与毛坯相对流动方向，变薄旋压分 为正旋压和反旋压；按旋轮和毛坯相对位置分为外旋压和内旋压，其中锥形变薄旋 压又称剪切旋压，适于圆锥形件的成形。图1 _ 8 是用平板毛坯变薄旋压成形圆锥形 件的示意图。毛坯被固定在芯模和尾顶之间，并随芯模一起绕对称轴旋转：同时旋 轮沿轴向作进给运动，对毛坯旎加力，毛坯的法兰部分厚度减薄，形状变成为圆锥 形。 在变薄旋压过程中变形区处于二向受压( 正旋) 或三向受压( 反旋) 的有利状态，这 使可旋压的材料不但包括所有可以成形的材料，还包括一些通常难以成形的材料， 如难熔金属等。在变薄旋压时变形中的毛坯可能产生旋轮前隆起( 堆积) 、破裂等缺 陷。因此，变薄旋压工艺参数的选择应保证在变薄旋压时不产生这些缺陷，并且达 到质量好和效益高。 卜一毛坯2 一工件3 一芯模4 一旋轮5 一尾顶6 一反向支撑辊 图1 7 圆锥形件的普通旋压 f i g 1 - 7 c o n i c a lp a r tf o r m i n gb yc o n v e n t i o n a ls p i n n i n g 卜一旋压模卜旋轮3 一尾顶4 一毛坯5 工件 圈1 8 圆锥形件的变薄旋压 f i g 1 8 c o n i c a lp a r tf o r m i n gb yc o r s es p i n n i n g 8 第1 章绪论 无底的圆锥形件可以采用三辊轧制或用带孔毛坯压制成形，也可以利用管坯缩 口成形。 1 4 圆锥形件一次拉深成形研究概况 1 4 1圆锥形件一次拉深的成形机理 根据文献 5 4 1 分析汽车覆盖件冲压成形中毛坯变形的思想，文献 5 4 ，5 5 ，9 - 1 37 分析了圆锥形件的锥壁成形机理。如图1 9 所示，原始平板形状毛坯上爿。点，在成 形过程中应靠向凸模表面以完成其成形过程。当4 0 点的金属产生切向压缩变形并靠 向凸模表面上的爿，点时，板料发生纯拉深变形。如果是由于纯胀形变形使平板形毛 坯成形为锥面形状并贴靠在凸模表面上，则4 0 点到d 点之间的圆形毛坯在双向拉 力的作用下，在切向和径向上均产生伸长变形，从而使爿。点靠在4 2 点的位置上。 这时即使a o 点的金属在切向上不产生变形，它也能靠模，并使平板形毛坯成形为锥 面形状。因为在圆锥形件的成形过程中，毛坯一定受到经向拉应力作用，并产生相 应的塑性变形，在悬空侧壁部分引起胀形变形，贴模点必将“外移”，即向凹模口方 向移动，所以纯拉深变形是不可能实现的。而实际上在圆锥形件的成形过程中，压 边圈下的金属毛坯在拉应力作用下不断向凹模口内流动，这也与板料纯胀形变形方 式的情况不符。因此，爿。点将在a 点贴靠到凸模上，在拉应力作用下，锥壁成形机 理可分为胀形成形机理和拉深成形( 经向拉伸、纬向压缩) 机理。文献 5 6 5 9 1 进一步 提出锥壁成形过程中存在两种变形方式：双向拉伸变形方式和经向拉伸、纬向压缩 变形方式。 文献 6 0 6 3 1 通过网格法实验研究了锥壁的变形特点和锥壁各质点靠模情况，提 出了悬空锥壁在冲头力作用下，不但在经向产生相应的拉伸变形，同时在纬向也会 引起相应的拉伸变形或压缩变形，经向拉伸变形能引起各金属质点产生垂直方向上 的靠模位移h 。，同时又配合纬向变形引起各金属质点产生水平方向上的靠模位移 r 。( 图1 9 ) 。锥壁在靠近凸模圆角处是在胀形机理作用下，以双向拉伸的变形方式 成形：锥壁在靠近凹模圆角处是在拉深机理作用下，以经向拉伸、纬向压缩的变形 方式成形。该文献的研究结果体现了锥壁成形机理的近期研究情况。 9 一 燕山大学工学博士学位论文 图1 - 9 锥壁成形机理分析简图【6 1 f i g 1 9t h em e c h a n i s t i cs c h e m a t i cd i a g r a mo f c o n i c a lp a r tf o r m i n g 1 4 2 圆锥形件成形中毛坯的受力 通过凸模与压边圈，成形载荷p 和压边力q 作用在变形毛坯的部分表面上，在 变形毛坯与模具的接触部位引起接触压力。文献( 6 4 ，6 6 】用解析法，分析了圆筒形 件拉深时变形毛坯与凹模和压边圈之间的接触压力，给出了接触压力分布( 图 1 - l o ( a ) ) 。文献 6 7 7 0 用刚塑性有限元法对圆筒形件拉深时变形毛坯与凸模、凹模和 压边圈之间接触压力进行了分析，其分析的结果见图1 1 0 ( b ) 。虽然上述理论分析方 法给出了变形毛坯与模具接触部位和接触压力的分布，但是，迄今为止，我们仍然 不知道接触压力的实际分布情况，对接触压力影响变形过程的规律也知道很少。 盥趱i 黩蕊j 氐蕊：j a )( b ) 图1 - 1 0 变形毛坯表面上接触压力的分布 f i g 1 * 1 0 t h ed i s t r i b u t i o no f c o n t a c tp r e s s u r eo ns u r f a c eo f d e f o r m e db l a n k 在研究毛坯的受力情况和变形特点时，通常将变形毛坯划分为法兰、凹模圆角 区、锥壁、凸模圆角区、锥顶。在将变形毛坯分区后，各区之间分离面上的内力变 为外力，由于变形毛坯的轴对称性，在分离面上仅暴露出径向( 经向) 拉应力( 图1 - 1 1 ) 。 1 0 第1 章绪论 盛孙一。 ( f k _ ：! 竺，* a ) 法兰b ) 凹模圆角区c ) 锥壁 d ) 凸模圆角区e ) 锥顶 图1 - 1 1各区分离面上的外力 f i g 1 - 11 t h es t r e s so nc u t t i n gs u r f a c eb e t w e e nv a r l o t l sr e g i o n 3 谳 7 1 7 3 1 说明了各区分离面上外力的作用情况。压边力o 通过压边圈和凹模 对法兰变形产生的摩擦阻力和法兰变形阻力决定了m 点处的径向拉应力( 盯，) 。， ( 盯，) 。加上克服凹模圆角区的摩擦阻力和变形阻力决定了l 点处的经向拉应力 ( 仃。、，( 盯。) ，经过锥壁的传递决定了k 点处的经向拉应力p ，) 。成形载荷p 通过 凸模作用在凸模圆角区上，在k 点处产生经向拉应力( 盯，) 。，在，点处产生径向拉应 力p ，) ，p 。) 。经过锥壁的传递在l 点处产生经向拉应力( 盯，) ，( 盯，) ，经过凹模圆 角区传递在，2 点处产生径向拉应力p ，) ，。因此，成形载荷取决于法兰和凹模圆角 区的摩擦阻力和变形阻力，锥壁是在1 点处的( 盯，) ，与k 点处的p ，) t 作用下变形。 目前多数文献是用理论解析方法， 区、锥壁、凸模圆角区的主应力分布。 给出了圆锥形件拉深成形时法兰、凹模圆角 但是，在用理论解析法分析时必须引进各种 简化假设，其给出的结果不能反映出法兰、凹模圆角区、锥壁上主应力分布的细节， 而用有限元法分析的结果能够全面和细致地反映出主应力的分布规律。近期陆续有 一些关于圆锥形件拉深成形时变形毛坯受力的有限元法分析结果发表a 图1 - 1 2 是用 有限元分析软件，分析圆锥形件拉深成形时变形毛坯上主应力分布的结果【7 4 _ 7 ”。 图1 - 1 2 变形毛坯的主应力分布 f i g 1 1 2 t h es t r e s sd i s t r i b u t i o nd u r i n g d e e p 。d r a w i n g o f c o n i c a lp a r t 图1 - 1 2 中的i 区锥顶、i i 区凸模圆角区、i i i 区锥壁、i v 区 燕山大学工学博士学位论文 凹模圆角区、v 区法兰，各区的主应力分布存在较大的差异。法兰上作用着径 向拉应力d ，和切向压应力。锥壁上作用着经向拉应力仃。，在a 点处纬向应力 = 0 ，此处称为应力分界圆。在a 点以内( 即小于a 点坐标处) 纬向应力盯。 0 ， 在a 点以外( 即大于4 点坐标处) 纬向应力g r 。 0 。在应力分界圆外侧( o ，由上面的第一式得r ， 0 ，这部分锥 壁是外凸形曲面；在应力分界圆内侧 o ，由上面的第一式得r ， o ，这部分锥 壁是内凹形曲面( 图1 - 1 4 ) 。由此可见，在圆锥形件成形时，锥壁是以应力分界圆为 界的外凸和内凹形曲面。 f j 0 ：! ：王：孓3 f 一一夕 jl 、 1 1 ，纬f 龟压盥力部分、- ， 一泪 、捧内拽成为部分，、 应力箍界圈位置l ：j 、= = = = ： 图1 - 1 4 锥壁曲囱的形状 f i g ，1 - 1 4 t h es h a p eo f s i d e 。w a l lo f c o n i c a lp a r t 另外，由上面的第一式得r 。的绝对值与径向应力盯，成正比，增大经向应力仃， r 。的绝对值增大，当怔。l _ o 。时，锥壁转变成为直母线圆锥面。因此，圆锥形件成 形时可以利用增加经向拉应力的方法，提高锥壁的成形效果。但是，由于受到材料 塑性变形失稳的限制，往往单纯依靠增大经向拉应力还不能达到提高锥壁成形精度 的目的。 除了利用增加经向拉应力的方法来提高锥壁的成形效果外，模具形式也将影响 锥壁的成形效果。于连仲等对用带压边装置的几种基本模具结构形式( 图1 - 1 5 ) n 0 2 形后零件形状的影响进行了研究。锥一锥型模具( 图l - 1 5 ( a ) ) 的凸模将限制锥壁的内 凹变形，凹模将限制锥壁的外凸变形，从而使成形的锥壁为规整的锥形曲面。柱一 锥型( 图1 1 5 ( b ) ) 模具的凹模能够限制锥壁的外凸变形，但凸模对锥壁的内凹变形没 有限制作用，不过实验测试结果表明圆锥形件成形时锥壁的胀形成分有限，实际的 第1 苹绪论 内凹曲面部分很小，所以利用柱一锥型模具可以得到满意的锥面，实验结果表明其 成形效果与锥一锥型模具的成形效果差别不大。锥一简型模具( 图1 - 1 5 ( c ) ) 的凸模能 够限制锥壁的内凹变形，但凹模对锥壁的外凸变形没有限制作用，其锥壁的成形效 果明显不如前两种型式的模具。为了改善锥一筒型模具的锥壁成形效果，可以设法 增大锥壁的胀形成分。柱一筒型模具( 图1 - 1 5 ( d ) ) 的凸模和凹模对锥壁的内凹和外凸 部没有限制作用，从而不能使成形的锥壁为规整的锥形曲面。实验结果表明，利用 增加毛坯直径和增大经向拉应力可以改善柱一筒型模具的锥壁成形效果，但是毛坯 直径过大致使凸模端头转角处材料出现塑性变形失稳而破裂，终究不能用柱筒型 模具得到完全规整的锥形曲面。因此，锥一锥型模具的成形效果最好，柱一锥型模 具的成形效果次之，但是后者制造加工方便。锥一筒型模具和柱筒型模具的成形 效果最差，虽然可以利用增加胀形成分提高锥壁的成形效果，但是受到凸模端头转 角处材料出现塑性变形失稳而破裂的限制【9 2 - 9 4 1 。 惑蕊 嚣基 ( c ) 1 一凸模2 一压边圈3 一毛坯4 一凹模 图1 - t 5 圆锥形件拉深成形的模具形式p 5 1 f i g 1 1 5 t h ed i e t y p e f o rc o n i c a l p a r ts t a m p i n g 1 5 圆锥形件拉深成形极限的研究 1 5 1圆锥形件拉深成形极限的概念和意义 一般将毛坯在冲压过程中出现拉伸失稳或压缩失稳前，毛坯所能承受的最大变 1 7 燕山大学工学博士学位论文 形程度称为成形极限，它反映了在冲压过程中，毛坯在塑性失稳出现前所具有的最 大成形能力。成形极限是冲压过程中的一个十分重要的工艺参数，是衡量毛坯在各 种不同冲压方式下能否顺利成形的重要依据。 由于伸长类成形与压缩类成形具有不同表现形式的质量问题，所以两类成形的 成形极限也不一样( 表1 - 1 ) 。在大多数冲压方式下，毛坯的成形极限般只单一地受 破裂或起皱的限制，如胀形、扩孔等伸长类成形的成形极限主要受破裂的限制；而 缩口、压缩类翻边等压缩类成形的成形极限主要受起皱的限制1 9 6 删。 圆锥形件拉深成形时法兰的变形主要属于压缩类成形，锥壁上以胀形机理成形 部分的变形属于伸长类成形。在成形过程中，不但锥壁可能产生过大伸长变形而导 致破坏，而且锥壁上还可能发生纬向压应力引起的起皱一内皱。为了在成形过程中 防止内皱的产生而增加锥壁上的经向拉应力，可以相应地减小纬向压应力，从而避 免内皱，但增加锥壁上的经向拉应力受到破裂的限制。因此，圆锥形件的成形极限 既受破裂的限制也受内皱的限制( 如果将防止外皱也算成形极限问题，则有圆锥形 件拉深成形三极限的提法) 。 表1 - 1伸长类成形与压缩类成形的对比【l ”1 t a b l e l 一1 t h ec o n t r a s tt e n s i l et y p